CC BY
20
УДК 674.2:624.011.15
прочность гипсоцементнодревесного композита на основе кавитированных древесных частиц
Б.д. руденко, м.А. Баяндин, в.н. Ермолин, с.Г. Елисеев
Сибирский государственный технологический университет. Красноярск. Россия
Прочность гипсоцементнодревесного композиционного материала является функцией его структурных элементов. У рассматриваемого композиционного материала это вяжущая, заполняющая и поровая часть, специфичный контактный слой. Следует отметить, что два структурных элемента имеют принципиальные отличие от структурных элементов це-ментно-древесных композиционных материалов. Это поровая часть и контактный слой. Если поровая часть соответствует полимербетонам, то контактный слой практически не участвует в формировании данного конгломерата. Имеются две особенности, отсутствие вредного влияния водорастворимых веществ на твердение портландцемента и специфичное присутствие кавитированных древесных частиц, по форме представляющих грубо волокнистую древесную массу. Эта особенно интересно, так как прочность на изгиб у образцов достаточно высокая.
Ключевые слова: Гипсоцементый композит, прочность, элементы структуры, кавитация, древесные частицы, гипс, портландцемент.
Gipsotsementnodrevesnogo strength composite material is a function of it's structural elements. In consideration of the composite material is Knitted-zhuschaya filling the pore and part-specific contact layer. It should be noted that the two structural elements have a fundamental difference from the structural elements of wood-cement composites. This is part of the pore and the contact layer. If the porous part corresponds to the polymer concrete, the contact layer does not take part in the formation of the conglomerate. There are two features, the absence of harmful effects of water-soluble substances in the hardening of Portland cement and spe-ing presence kavitirovannyh wood particles, the shape representing roughly in-fibrous pulp. This is particularly interesting, since the flexural strength of the samples at high enough.
Keywords: gypsum cement composite, the strength, the structure, the Kawi-tation, wood, plaster, cement.
введение
Для изготовления цементно-древесного композиционного материала (арболит, цементно-стружечные плиты, велокс, дюризол, бризолит) требуется определенным образом подготовить древесный заполнитель. Подготовка древесного заполнителя преследует несколько целей. Например, устранение вредного влияния компонентов древесины на процесс твердения портландцемента. Также требуется придание древесным частицам формы, наилучшим образом отвечающей требованиям, которые обуславливают свойства цементно-древесного композита. Для арболита, велок-са, бризолита требуется игольчатая стружка с коэффициентом формы от 5 до 8 (отношение наибольшего размера к наименьшему) [Мельникова, 2002]. Механические характеристики цементно-стружечных плит требуют другие размеры древесного заполнителя, кроме того, используется слоёная конструкция плиты. Для каждого слоя используется стружка соответствующей формы и размеров [Мельникова, 2002].
На практике каждая из указанных целей решается не лучшим образом, имеются разные недостатки. Например, не все древесные породы можно успешно применять, особенно в производстве цементно-стру-жечных плит, где проявление вредного влияния древесного заполнителя наблюдается сильнее всего.
Если изменить форму древесных частиц некоторым образом так, чтобы устранить разные значения
влажностных деформаций вдоль и поперек волокон, и одновременно убрать из древесины часть «цементных ядов», то это даст расширение возможностей использования древесного заполнителя для цементно-древесных композиционных материалов.
В процессе переработки отходов лесозаготовки лиственницы с применением процесса кавитиро-вания преобладающей по массе среди выделяемых компонентов является так называемая кавитирован-ная древесина (КД), представляющая собой в основном целлюлозно-лигниновый композит [Нифантьев 2010]. Одним из вариантов практического использования КД является ее химическая модификация, однако такое использование предполагает специфику ее использования, узкую область.
Рассмотрим способ получения древесной массы путем кавитационного воздействия [Катраков 2008]. В результате получается интенсификация процесса разволокнения древесных частиц и быстрый гидролиз гемицеллюлоз, деградацию лигнина с образованием более реакционноспособных соединений. Полученный древесный заполнитель (в виде волокон) должен удачно совмещаться с минеральными вяжущими.
В качестве минерального вяжущего рассмотрим гипс, который быстро твердеет, однако имеет низкую водостойкость. Для повышения водостойкости используем портландцемент (Пащенко 1975).
Целью исследований является рассмотрение закономерностей формирование прочности гипсоцемент-
Хвойные бореальной зоны, XXXII, № 3 - 4, 2014
нодревесного композита на основе кавитированных древесных частиц в зависимости от соотношения компонентов: гипс, портландцемент, кавитированные древесные частицы.
материалы и методы
исследования
Для проведения эксперимента использовались древесные частицы, полученные переработкой древесных опилок по способу, описанному (Патент 2381244...). Фракционный состав полученных частиц представлен в таблице 1.
Таблица 1 - Фракционный состав кавитационных древесных частиц
Размер сита, Ж мм Количество, %
Ж 1,0 10,30
Ж 0,5 85,56
Ж 0,25 1,04
< Ж 0,25 3,10
В качестве вяжущего использовался гипс строительный марки Г - 5 по ГОСТ 125 - 79, использовался портландцемент марки 400 по ГОСТ 10178-85. Для определения физико-механических показателей формовались балочки, размером 4x4x16 см. Определение прочности на изгиб производилось по ГОСТ 310.4-81 после 28 суток твердения гипсоцементно-древесного композита в комнатных условиях, определялись также влажность, плотность и водопогло-щение.
Для изучения свойств цементно-древесной смеси, зависящих только от соотношения компонентов, использован симплекс-центроидный план эксперимента. Так как вся область изменения компонентов интереса не представляет, выбраны новые вершина диаграммы состав-свойство, и взяты координаты компонентов, изложенные в таблице 2. Это предельные значения, вне которых свойства гипсоцементно-древесного композита практически не могут быть использованы.
Таблица 2 - Псевдокоординаты исследуемых компонентов
Вершины Гипс, Цемент, Кавитированные древес-
симплекса % (X!) % (Х2) ные частицы, % (Х3)
1 80 10 10
2 40 50 10
3 40 10 50
Матрица планирования рассматриваемых факторов взяты в программе Statgrachics: Create Design Options|mixture|Simplex-Centroid|Quadratics.
экспериментальная часть
В результате обработки экспериментальных данных получены уравнения регрессии (1,2), адекватно описывающие исследуемую область. В уравнениях обозначены, Y1 - прочность образцов при изгибе, МПа; Y2 - плотность образцов, кг/м3 . В таблице 2 приведены обозначения Х1, Х2 и Х3.
Y1 = 4,3Xj + 5,1Х2 +1,2Х3 - 4,9Х^2 - 1,0ХхХ3 -1,2X2X3 (1)
Y2 = 1309Х1 + 1365Х2 +748Х( - 123Х1Х2 - 116Х1Х( - 320Х2Х(
(2)
Для удобства пользования и наглядности, полученных данных результаты эксперимента представлены графическими иллюстрациями, рисунок 1,2,3. Для рассмотрения влияния каждого по отдельности рассматриваемых компонентов, рассечем плоскостью объемный вид (рисунок 1), и в сечении плоскости получаться искомые значения. Координата точки, через которую проведена секущая плоскость, указаны на рисунке 2 (координата секущей плоскости).
Рисунок 1 - Поверхность отклика для прочности гипсоцементнодревесного композита на основе кавитированных древесных частиц
Рисунок 2 - Изменение прочности композита при изменении содержания компонентов
Так как используется не вся область изменения исследуемых факторов, требуется перевод значений компонентов в процентное их содержание (таблица 3).
Таблица 3 - Соответствие содержаний компонентов, %, значениям псевдокоординат
Компонент Псевдокоордината компонента
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
Гипс, % 10 24 38 52 66 80
Цемент, % 10 18 26 34 42 50
Кав. волокно, % 10 18 26 34 42 50
Гипс=0,
Рисунок 3 - Поверхность отклика для плотности гипсоцементнодревесного композита на основе кавитированных древесных частиц
результаты и их обсуждение
Из уравнений видно, что наибольшее влияние на прочность оказывает содержание цемента, затем содержание гипса и в последнюю очередь, содержание кавитированных древесных частиц. В такой же последовательности компоненты влияют и на возрастание плотности, т.е. прочность в нашем случае является функцией плотности.
На графиках мы видим иллюстрацию этого.
Рассмотрим отдельно прочность цемента (М400) и гипса (Г5), в соответствии с ГОСТ 10178-85 и ГОСТ 125-79 прочность при изгибе должна составлять 5,4 МПа и 2,5 МПа соответственно. Мы видим у исследуемых образцов сохранение прочности для цемента и двухкратное возрастание прочности для гипса, плотность при этом уменьшена почти в два раза (от 3 000 до 3 200 кг/м3 у цемента и от 2 600 до 2 7500 кг/м3 у гипса [Пащенко 1975]).
Прочность материала является функцией структурных элементов. У нашего композиционного материала это вяжущая, заполняющая и поровая часть, специфичный контактный слой. В нашем случае два структурных элемента имеют принципиальные отличие от структурных элементов цементно-древесных композиционных материалов. Это поровая часть и
контактный слой. Если поровая часть соответствует полимербетонам, то контактный слой практически не участвует в формировании данного конгломерата. Следует отметить две особенности, отсутствие вредного влияния водорастворимых веществ на твердение портландцемента и специфичное присутствие кавитированных древесных частиц, по форме представляющих грубо волокнистую древесную массу. Эта особенно интересно, так как прочность на изгиб у образцов достаточно высокая.
заключение
Что касается рассмотренной структуры гипсо-древесного композиционного материала, имеются принципиальные отличия от таких характерных материалов, как арболит и цементно-стружечные плиты. Это очень мелкая поровая часть и практически отсутствие контактного слоя. Влияние водорастворимых веществ не просматривается или очень слабо выражено. Прочность при изгибе характеризуется достаточно высокими значениями. Работа выполнена в рамках госзадания по НИР 1.9/2 СибГТУ
библиографический список
Мельникова, Л. В. Технология композиционных материалов из древесины [Текст] / Л. В. Мельникова. - М.: МГУЛ, 2002. - 234 с. Патент 2381244 Росийская федерация, МПК С08L97/02. Пресс-масса, способ ее получения и способ получения плитных материалов на ее основе. / Катраков И.Б., Ба-зарнова Н.Г., Маркин В.И.; заявитель и патентообладатель Катраков И.Б., Базарнова Н.Г., Маркин В.И - заявка 2008100649/02;заявл. 09.01.2008; опубл.10.02.2010. бюл. № 4.
Нифантьев, Э. И. Модифицирование кавитированной древесины лиственницы [Текст] / Э. И. Нифантьев, М.П. Коротеев, Г.В. Казиев, А.Т. Гелешев, Е.И. Матросов, Г. В. Бодрин // Химия растительного сырья. - 2010. -№2. - с. 37-42.
Пащенко, А. А. Вяжущие материалы [Текст] / А. А. Пащенко, В.П. Сербин, Е.А. Старчевская. - Киев.: Вища школа, 1975. - 444с.
Поступила в редакцию 16.01.14 Принята к печати 03.10.14
